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1、西北工业大学硕士学位论文基于PC的开放式数控系统姓名：赵春红申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：唐虹20030101西北丁业人学顺|j 学位论文摘要摘要数控机床的拥有量及其年产量是一个国家制造能力的重要标志，数控系统的发展是促进数控机床不断发展的技术因素。传统的数控系统都是封闭的，用户难以在其平台上进行二次-丌发，而开放式数控系统可解决这一问题。基于P C 的开放式数控系统已成为当前C N C 技术发展的必然趋势。文中系统、全面地对丌放式体系结构和系统平台进行了研究，分析了国内外开放式数控系统的研究情况和在P C 平台上实现开放式体系结构的发展现状，并对基于P c 平台的开放式
2、数控系统的硬件结构和软件模块进行了方案设计。硬件结构方面，选择P C 内减C N C 型结构，并对基于P C I 总线的运动控制卡进行设计。软件方面，对上下位机的软件模块进行了划分和功能设计，并详细研究了P C 板卡的驱动程序设计。为下一阶段的开发工作提供了理论框架和实现基础。关键词：开放式数控系统P CP C I 总线运动控制卡驱动程序西北T 业人学坝I：学位论文A B S T R A C TA B S T R A C TT o d a y，C o m p m e rN u m e r i c a lC o n t r o l(C N C)m a c h i n e sa r ef o u
3、n da l m o s te v e r y w h e r e，f r o ms m a l lj o bs h o p si nr u r a lc o m m u n i t i e st oF o r t u n e5 0 0c o m p a n i e si nl a r g eu r b a na r e a s T h ep r o d u c t i v i t yo fm a n u f a c t u r i n gh a sb e e ng r e a t l yu p g r a d e da st h er e s u l to ft h ee m p l o y
4、 m e n to ft h eC N Ct e c h n o l o g y T h ep o s s e s s i o na n da n n u a lo u t p u to fC N Cm a c h i n ei n d i c a t et h em a n u f a c t u r i n ga b i l i t yo ft h ec o u n t r y T h ei m p r o v e m e n to fC N Cm a c h i n eb e n e f i t sf r o mt h ed e v e l o p m e n to fC N Cs y
5、s t e m A l lo ft h ec o n v e n t i o n a lC N Cs y s t e m sa r ei n t e r f a c ec l o s e d I ti sd i f f i c u l tt oc h a n g et h e mo rt oa d dn e wf u n c t i o nf o ru s e r s O p e n C N Cs y s t e m sc a ns o l v et h i sp r o b l e m A n dt h es t r u c t u r eo f t h eo p e n-C N Cs y
6、s t e mw i t hi t sp l a t f o r mo nt h eb a s eo ft h eP e r s o n a lC o m p u t e r(P C)i sa ni m p o r t a n tt r e n do f t h ep r e s e n tC N Ct e c h n o l o g y W ei n t r o d u c ei nd e t a i lt h es t r u c t u r ea n dp l a t f o r mo ft h eo p e n-C N Cs y s t e mi nt h i st h e s i s
7、T h ep r e s e n ts t a t eo fo p e n C N Cs y s t e m si sa n a l y z e d T h eh a r d w a r es t r u c t u r ei Sd i s c u s s e d W ec h o o s et h eC N Ce n c l o s e dP Cs t r u c t u r e T h em o t i o nc o n t r o lc a r db a s e do nP C Ib u si sd e s i g n e d T h em o d u l eo fs o f t w a
8、 r ei sd i v i d e d T h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei sd e s i g n e da n dt h ed r i v e rp r o g r a mi sd i s c u s s e d T h e s ep r o v i d er e f e r e n c ef r a m ea n dr e a l i z a t i o nb a s ef o rf u r t h e rm s e a r c h K e y w o r d s：O p e n-C N CP e r s o n a lC o m p
9、u t e r(P C)P C I-b u sM o t i o nC o n t r o lC a r dD e v i e eD r i v e r西北T 业大学碳卜学位论史第一章绪论第一章绪论2 0 世纪4 0 年代术数字计算机诞生，不久就被试用于控制加工机床，其特点是把过去利用人工、行程刀：关或模板产生的加工信息数字化，并用以控制机床的加工运动，这就是数字控制机床，简称数控机床。历经半个多世纪的发展和应用，数控机床的拥有量及其年产量已经成为一个国家制造能力的重要标志。数控机床几十年的发展历史表明，促进数控机床不断发展的技术因素是数控系统和伺服系统的发展。数控系统伴随着计算机技术的发展而
10、发展，最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬件数控系统，又称普通数控系统(N C，N u m e r i c a lC o n t r 0 1)：随着计算机技术的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统(C N C，C o m p u t e rN u m e r i c a lC o n t r 0 1)。C N C 系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。1 1 开放式数控系统的提出与研究现状长期以来国际上著名的数控设备制造公司，对C N C 均采取封闭式设计，各自设计生产自己的C
11、N C，彼此并不兼容。表现为：(1)组成系统的硬件是专用的，主板、C P U 板、伺服板以及它们的连接方式等都是专门设计的，与其它系统同类型的电路板不通用；(2)系统软件结构是专用的，系统软件的技术细节不公开、不提供给用户：(3)虽然在系统结构上采用模块化设计，分为人机交互模块、零件程序译码和数据处理模块、轨迹插补模块、轴伺服控制模块、I O 模块和任务协调模块等，但各公司在具体实现方法上有着很大的差别，这与各生产商选择的基础技术、技术政策、指导方针、发展历史等因素有关。例如系统各模块阃的交两北丁=业人学颁卜学位论文第一章绪论互方式、通讯机制等因系统的不同而不同，所以各个系统是相对独立而彼此封
12、闭的。这给数控机床制造厂家的生产和最终用户的使用、维护带来诸多不便。很多情况下，用户需要把特殊要求融入到控制系统中，传统数控系统的封闭性，使得对它的修改和功能扩充极为有限，造成数控机床制造厂对控制系统供应商的依赖，不仅使机床制造厂的技术保密性降低，同时使得机床制造厂从一种控制系统转换到另一种控制系统成为一件十分耗费精力和时间的事情；最终用户在使用、维护控制系统时同样面临这个问题：更为不便的是，软件对硬件的不可移植性使得计算机和其它领域的先进技术在C N C 中的应用也存在相对的滞后期。为了克服上述不足，国外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性方面做了大量的研究工作。1 9 8 1 年美国发
13、起了一个叫做下一代控制器的计划，简称N G C(N e x tG e n e r a t i o nW o r k s t a t i o n M a c h i n eC o n t r o l l e r)，旨在为基于开放式体系结构的控制器提供一个标准，在此标准下，不同的设计人员可依据规范开发出具有互换性和互操作性的控制器部件。此计划已形成了一份开放式系统体系结构规范S O S A S(S p e c i f i c a t i o no f a nO p e nS y s t e mA r c h i t e c t u r eS t a n d a r d)，并开发了基于S O S A
14、 S 的C N C 型谱系列。1 9 9 4 年由通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司启动了名为“开放式模块化体系结构控制器”的计划，简称O M A C(O p e n M o d u l a r A r c h i t e c t u r e C o n t r o l l e r)，其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷。该计划启动不久便公布了一名为“O M A C A P T”的规范，并促成了系列相关研究项目的运行。1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器丌发商、机床生产厂家、控制系统集成商和科研机构联合发起了O S A C A(O p e nS y s
15、 t e mA r c h i t e c t u r ef o rC o n t r o l sw i t h i n A u t o m a t i o nS y s t e m s)计划。其目的是制定一个与制造商无关的开放式控制系统的一种分层参考体系结构，以便能够快速而高效地适应新的需求。1 9 9 4年完成了开放式控制系统平台和系统参考结构的定义，1 9 9 6 年完成了原型系统的开发。1 9 9 4 年由东芝机器、三菱电子等6 家同本公司联合成立了一个名为控制器开放系统环境(O p e nS y s t e mE n v i r o n m e n tf o rC o n t r o
16、 l l e r A r c h i t e c t u r e)的工作委西北T 业人学坝I 学位论文第一章绪论员会。它研究的重点是在N C 本身和分布式D N C 控制系统上，它认为站在制造的角度看N C 是分布式D N C 系统的一个服务器。O S E C 所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于P C 的标准化人机界面的要求。1 2 基于P C 的开放式数控系统结构从八十年术美国提出开放式数控系统的概念算起，丌放式数控系统已经经历了二十多年不平凡的发展历程。研究、丌发、设计开放式系统首先要回答的问题是，系
17、统应如何构成或组成，为此必须研究体系结构中硬软件功能划分的概念、原则，功能模块任务及各功能间联系；必须回答系统开放程度，并由此制定不同开放程度时不同的结构；必须研究开放体系系统的容量问题，即如何防止“系统”过载。这些问题在N G c、O S A C A、O S E C 中都在进行探讨。一个开放式的系统应当具有在各种不同的平台上以及其他应用系统中运行的特性。为达到这一要求，开放式数控系统对用户而言应该是透明的，它允许各个设计者按照统一的工业标准或规范去开发自己的控制元件，而这些元件具有良好的兼容性，用户可很容易地完成从一个制造商控制系统到另一制造商控制系统的转变；同时，这些独立的控制元件应当为用
18、户今后的二次开发提供运行的基础，用户在使用这种C N C 系统时，用现有的结构、现有的控制元件再加上一些特殊元件模块即可构成一个符合自己使用要求的新的数控系统。开放式体系结构是关于性能和操作的一种技术规范，它提供了系统各部分之间的互联结构以及各操作部分之间的接口标准。数控系统采用开放式体系结构的主要目的是为了使之成为具有互操作性、用户化、集成化、元件化的开放式的结构系统。为了达到这些目的，选择好系统平台是关键，数控系统的平台由硬件平台和一定数量通用的软件模块组成。在硬件平台方面，当前的P C 机已发展到以P e n t i u m 为主流，标准内存配黄为6 4 1 2 8 M 或更高；高标准的
19、硬件结构、配置及优异的性能价格比，使得P C 机理所当然地成为开发数控系统的首选硬件平台，在P C 机上开发C N C，已成为大多数国家数控同行的共识。西北丁业人学坝I+学位论文第一章绪论1 3 国内发展现状我国的数控技术，在“八五”攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调艇到以P C 机为基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中I 型和中华1 型是将数控专用模板嵌入通用P C 机构成的单机数控系统，航天I 型和蓝天l 型是将P C 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。国内其它单位也都先后
20、开发开放式体系结构系统，如：中科院沈阳计算所正在考虑和制定“新一代机床控制机开放式系统体系结构标准规范参考模式”：北京机床研究所已经引进了德国P A 公司的开放式C N C 系统P A 一8 0 0 0 的全套技术，对其产品应用进行开发：一些厂家和研究所正在对美国D E L T AT A U 公司的P M A C(p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r)系统进行开发和应用“；在数控机床设计与制造中，已开始采用模块化技术，对数控切削加工中的工艺参数、工具系统的优化控制都进行过研究，然而，我国的数控技术在总体上还停留在
21、原有的封闭型数控系统上，无法适应激烈的市场竞争，市场需要的数控机床及数控系统较长时期仍然主要依靠进口。1 4 选题意义引进、消化、吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解决自主开发数控系统的问题。为了摆脱这种被动局面，就必须具有超前意识，因此，充分利用现有的资会、资源、人才与技术，歼展商起点的开放式数控系统研究，研制我国自己的实时多任务数控系统，才是改变我国数控现状的唯一出路。我国的数控产业只有走开放式体系结构道路，刊有可能在整个数控产业界及学术界展开广泛及多层次联合。在产品的设计与开发过程中有效地对产品、资金、技术等进行重组，进一步缩短新产品的开发周期、提高开发效率、
22、降低开发成本，增强产品在国际、国内市场上的竞争力，促进我国数控产业的进一步健康发展，缩短我国与世界先进水平的差距。西北工业人学坝l 学位论文第一章绪论当今数控系统的特点是以微处理机为基础，发展总线式、模块化、开放型的智能C N C。从目前研究情况来看，人们对基于P C 的开放式数控系统的研究与实现才刚刚起步，还有大量的问题亟待解决：如开放式数控系统硬件结构研究、软件平台构造以及制造协议的制定等等。但可以相信，由于P C 具有容易实现开放化、网络化等优点，随着P C 技术、文化的进步，丌放式的基于P C的数控系统将会得到更快的发展。另一方面，由于过去在科研和实践中所采用的，无论数据采集卡，还是电
23、机控制卡，绝大部分都是老式的I S A 总线卡或其它总线卡，如美国D E L T A T A U公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器P M A C 有三种类型，适合于三种总线：P C X T 和A T，V M E，S T D，但没有P C I 总线的：西安交通大学机械学院数控所开发的五轴联动数控系统也是以I S A 总线作为所有模块设计的基础，因此，开发基于P C I 总线的板卡和驱动，在一定程度上可以说是个新东西，具有前赡性。1 5 研究设想及方法本课题进行基于P C 的开放式数控系统的研究和探讨。如前所述，以P C 机为数控系统硬件平台，既可以借助其实现硬件平台的通用性，又可以充分利用相
24、关软件和高级编程语言方便地实现数控系统的软件开发，可以从硬件、软件两方面很好的满足数控系统开放性的要求。在大量的阅读相关文献资料后，确定了基于P C 的开放式数控系统的实现方式：P C 内藏C N C 型，并对基于P C 的开放式数控系统的硬件结构和软件模块进行了方案设计。硬件方面：对基于P C 的P C 内藏C N C 型结构的丌放式数控系统的关键硬件运动控制卡的结构进行了设计和论证。以高性能的D S P 为运动控制卡微处理器，能够很好的实现开放式结构，并满足高速度高精度、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等性能要求。利用双口R A M 实现主从式处理器之间的通信，硬件接口电
25、路简单，与并行通信、串行通信以及D M A通信方式相比，具有更大的吞吐能力和更高的数据传输效率。软件方面：针对开放式数控的结构特点和系统要求对上下位机的软件模块两北T 业人学颂I 学位论文第一章绪论进行了划分和功能设计，并详细研究了P C I 板卡的驱动程序设计。1 6 本章小结本章作为论文的绪论，对课题的相关背景知识、国内外发展现状以及选题意义进行了综述，简要说明了课题研究工作的理论分析及依据，并确定了课题的研究目的、研究设想以及研究方法。西北丁业人学坝J 学位论文第二章数控系统的体系结构设计第二章数控系统的体系结构设计2 1 数控系统体系结构的概念及开放途径2 1 1 数控系统体系结构的概
26、念应用计算机的数控机床是综合了现代计算机技术、自动化控制技术、传感器及测量技术、机械制造技术等领域的最新成就发展起来的，是典型的机电一体化产品。尽管数控系统从系统设计方法到系统的实现方式千差万别，但其基本组成与原理都是类似的。作为一个典型的计算机应用系统，任何数控系统都离不开硬件和软件的支持。通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组合、管理数控系统的输入、数据处理、插补和信息输出，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求有条不紊地进行加工。C N C 系统的硬件是系统工作的物质基础，通常可以表述为图2 1 所示的形式。图2 1 数控系统的硬件结构两北_ T 业人学硕卜学位论义第二章数控系统的体系
27、结构设计其中由C P U、总线、程序存储器、数据存储器和外设构成了专用计算机的基本系统。由入机控制、运动控制、可编程机床控制器(P M C)及基本输入输出接口构成设备支持层，可以和各种外部设备、系统连接。C N C 系统的软件是系统实现千变万化控制功能的灵魂，一般由操作系统、C N C 管理软件和控制软件组成。其中操作系统提供基本的软件开发平台和运行支持；C N C 管理软件承担零件加工程序的输入输出、系统的状态显示和故障渗断以及C N C 各功能软件的协调调度等；控制软件负责完成C N C 系统的加工控制功能，包括零件程序的解释、数掘处理、刀具补偿、插补运算，各坐标轴的位置控制、速度控制以及
28、机床的辅助装置控制等。C N C 系统的硬件和软件构成了C N C 系统的平台。之所以称为系统平台是因为，一方面，它提供了C N C 系统完整的控制功能：另一方面，它允许在此平台的基础上进行适当的功能扩展和开发。通常，将C N C 装置的系统平台的构筑方式称为C N C 的体系结构，它包括系统的硬软件组成部件的划分、各部件间的连接与约束，如拓扑关系、同步关系、通讯协议等。由此可见，C N C 系统的体系结构不仅可为系统的分析、设计和建造提供参考框架，也是指导系统在整个生存周期内进行扩展、更新、维护和二次开发的基础。因此，系统体系结构的研究不仅直接关系到C h I C 系统的开发周期与成本，以及
29、数控产品的性能和生存周期，同时更关系到C N C 系统中间用户、最终用户进行集成和使用维护的成本和便利性。随着数控技术的发展，系统的体系结构越来越引起各界的重视。1 2 1 2 数控系统体系结构的开放途径关于开放体系结构的定义，目前尚有较大的争议。根据I E E E 关于开放式系统的定义：一个开放式的系统应能够在多种平台上运行，能够与其它系统进行互操作，并能向用户提供统一风格的交互界面。对于一个开放式的数控系统来说，也应遵循这些基本要求。一个开放的控制系统应具有完全模块化的结构。模块之间具有互换性、可扩展性、可移植性和互操作性，这是一个开放系统的基本特征。如何使封闭式专用系统走向开放，不同的系
30、统开发商及研究机构对此提出西北T 业人学坝I?学位论文第二常数控系统的体系结构设计了多种解决方案。概括起来，按开放的层次不同可分三种途径，它们的开放层次不同，实现的难度不等，获得的开放效果也相差很大，如图2 2 所示。图中，虚线将控制系统划分为人机控制(M M C，M a n-M a c h i n eC o n t r 0 1)层和控制内核层两个层面，其中控制内核是C N C 系统完成实时加工过程调度和控制的核心部分，一般和系统实时性相联系。三种方式就是基于对这种两个层面开放的不同处理来区分的。图2 2 数控系统的开放途径2 2 开放式C N C 系统的概念设计概念设计是在系统正式开发前对开
31、放目标的清晰明确，对系统体系结构的总体把握。因此，开放式体系结构C N C 系统的概念设计着重要解决的问题是开放什么以及如何-丌放。它来源于对系统的全面需求分析，依据开放式体系结构基本规范要求进行体系结构的构造。概念设计的结果形成可供系统开发借鉴的参考模型。2 2 1 开放式C N C 系统的需求分析从应用的角度，开放体系结构C N C 系统的设计目标是使系统能够最大限度地提供C N C 系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快速而有创造性的解西北T 业人学倾I 学位论史第一章数挣系统的体系结构设计决当今制造环境中的数控加工和系统集成，不仅能够为设备自由地选择、更新或重构C N C 系统，配备合
32、适的伺服执行部件、传感器、P M C 等外设，而且系统与外设之l 日J 应具有强大的信息通讯能力，使之能灵活运用于综合化的制造系统环境之中。表现在功能上，一个丌放式的C N C 系统应该能够做到：用户界面的丌放：能够提供一个统-x l 格的操作界面，实现操作的简洁性；同时，用户可根据需要定制界面，例如可以改变仿真形式、增减显示内容、扩展远程监控等功能。功能模块的开放：用户或开发商可根据自己的需要选择合适的功能模块，或开发新的模块。例如，系统集成商可更换或自行丌发插补模块、翻译模块或扩展高级曲线曲面插补功能等，以适应新的加工需求。控制功能的开放：系统的控制对象可以是任何厂家生产的机床，不限制机床
33、的加工类型，可以为车、铣、刨床等通用机床配套，也可以通过加入或开发新的功能模块为特种加工、齿轮加工等专用机床配套。网络模块的丌放：数控系统对另一个并联系统或高层系统是开放的，它们之间可以通过网络相互操作。例如，可由一台主控机来控制整个网络，控制其它C N C 系统的启停、监视其工作状态等。硬件平台无关性和可移植性：系统应该可以安装在大多数类型的计算机硬件平台上，以利于应用推广和降低成本，并且移植方便。2 2 2 开放体系结构C N C 系统的设计原则为了全面支持上述关于开放式数控系统的开放理念、应用特性和功能特性，拟定了如下的开放式数控系统体系结构设计原则：结构上，以模块化为原则，采用系统、子
34、系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的。功能上，支持以模块为单元按需重构，便于实现系统的多样化、多层次用途，能够快速响应制造业市场的变化。丌发方法上，系统中各模块相互独立，允许进行独立丌发。支撑平台上，以通用P C 为基础平台。0第二章数挖系统的仆系结构设计2 3 基于P C 的开放式数控系统个人计算机(P C，P e r s o n a lC o m p u t e r)性能的快速提高，使它可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且P C 机生产批量大，价格便宜。1 9 9 4 年，基于P c 的C N C 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。1 9 9 6年芝
35、加哥和1 9 9 7 年北京的国际机床展览会中，个十分显著的特征，就是出现了越来越多的以个人计算机为基础(P C b a s e d)的控制器。即使是过去生产专用控制器的几家大制造商，也纷纷推出以个人计算机为基础的控制器新产品系列。P C 的引入，不仅为C N C 提供十分峰实的硬件资源和极其丰富的软件资源更为C N C 的丌放化提供了基础。2 3 1 基于P C 的开放式数控系统的结构基于P C 的开放式数控系统大致可分为4 种类型的结构：P C 连接C N C 型、C N C 内藏P C 型、P C 内藏C N C 型、软件化C N C。n 2(1)P C 连接C N C 型只是将现有C
36、N C 与P C 机通过串行接口直接相连。c N C 保持原有功能，P C 机进行管理或零件编程。这种方案最容易实现，但原来的C N C 照样保留，既降低不了价格，也无法实现丌放性。(2)C N C 内减P C 型是在C N C 内部加装P C。它们之间的连接通过内部总线。优点是原来的C N C 可以不加改动，数据传送快，系统响应快。缺点是仍不能充分发挥P C 机的潜力，丌放性仍受到限制，造价仍然无法下降。这种结构的控制器主要出自大的C N C 控制器制造商。其原因之一是许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用。另一方面，控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用C N C 技术。因此出现这
37、种折中方案：在他们的专用C N C 中提供P C 前端接口。使其具有P C 处理的柔性。显然，这种模式的柔性是有限的，它不能实现N C 内核的兀放。(3)P C 内藏C N C 型是在通用P C 机的扩展槽中插入运动控制板或整个C N C 单元(包括集成的P L C)。P C 机处理非实时部分，实时控制由插入P C 机扩展槽中的C N C 单元或运动控制板来承担。这种方案的优点是能在保证系统西北T 业人学坝I 学位论文鹑二章数控系统的体系结构设计性能的条件下，充分利用P C 机的软件资源；零件编程方便灵活：造价可以下降。缺点是难以利用原有C N C 资源。此类型是目F H i I：I：较现实的
38、实现开放式数控系统的途径，正在成为以P C 为丌发平台的C N C 系统的主流。美国D e l t aT a uD a t aS y s t e m 公司的P M A C、德国P A 公司的P A 一8 0 0 0、美国O r m e cS y s t e m 公司的O r i o n、德国I n d r a m a t 公司的M T C2 0 0 都是这种模式。(4)软件化C N C 的特点是C N C 的全部或大部分功能均由P C 机承担。一般通过现场总线来和伺服进给进行通信。这样P C 机的优越性可以全部保留。软件资源丰富，丌放性好，可以降低造价。但处理的实时性和可靠性难以保证。P c
39、内减C N C 型这种结构可实现两个层次的全部开放，因而能满足机床制造商和最终用户的种种需求：这种控制技术的柔性，十分符合数控系统开放体系结构的要求，因此，我们选择P C 内藏C N C 型结构作为基于P C 的开放式数控系统的实现方式。2 3 2 计算机在C N C 系统中的作用计算机数控系统是一种位置控制系统。它的本质是首先输入人们根据加工零件的具体要求，按照约定方式编制的零件加工程序。然后，数控系统对输入的零件数据段进行相应的处理，把数据段插补出理想的刀具运动轨迹并将插补结果输出到执行部件，使刀具加工出所需要的零件。机床数控系统的工作流程主要由以下几个部分组成：零件加工程序的输入、数控处
40、理(例如数制转换、刀具半径补偿等)、插补计算和伺服机构的控制。11 零件加工程序的输入C N C 系统中有一个专门的程序管理输入工作。通常，C N C 系统将输入的零件加工程序存入专门设置的零件程序存储器中，加工时，再从存储器中将零件程序一段一段地调出用于加工。2 数据段的译码和刀具运动轨迹的计算C N C 系统控制机床加工时。控制系统的译码程序和数据处理程序完成零件加工程序数据段的译码和数据计算工作。通常，C N C 系统分段把零件加工程序从零件程序存储区中取到专门的工作缓冲区进行处理。每次只调入一个程序数据段。每个数据段都要经过译码、西北T 业人学顺I。学位论文第二章数控系统的体系结构垃计
41、数据计算，然后再转入插补和伺服控制过程。C N C 系统在进行插补以前一定要完成相应程序数据段的译码和数据计算工作。当C N C 系统完成了一个数据段的加工后，再调入下一个数据段，重复上述过程直到整个零件加工完毕。译码程序的功能是将输入的零件轮廓信息、加工速度以及辅助功能(M、T、S)进行识别处理。它把这些字符串格式的零件加工程序转化成计算机能够识别的二进制格式代码并在标志单元存储。数据处理程序主要是进行插补前的准备，完成刀具运动轨迹的计算工作。主要包括刀具半径补偿(将零件轮廓转化为刀具中心的轨迹)和进给速度的计算(即根据编程F 值，计算采样周期内的步长，解决刀具相对工件的运动速度问题)。3
42、插补计算数据处理程序将一个程序数据段处理完毕后，控制系统就知道了这段曲线的种类、起点、终点以及进给速度值。从而可在线段的起点和终点之间进行插补工作。插补程序主要功能为计算出每个坐标在一个采样周期内的位移增量，作为进给指令。通常，C N C 系统一边插补，一边将插补结果输出。C N C 系统中的插补程序有一个插补周期，即处理周期。通过一个插补周期，形成一个微小的数据段。经过若干个周期后，完成一个数据段的插补。4 伺服控制伺服程序主要功能为跟随误差并转化成速度命令送到伺服系统去执行。闭环控制方式中，计算机与伺服电机之间必须设置一个数字模拟转换电路，该电路将计算机输出的数字信号转换成模拟信号。模拟信
43、号经过功率放大后驱动电机。为了保证伺服控制精度，通常需要位罱和速度反馈环节。计算机把位置反馈量与给定值比较后得到的偏差值作为控制伺服电机运动的依据，使系统始终跟随给定值。在闭环伺服控制方式的C N C 系统中，多数采用数据采样的插补方法。伺服控制程序的功能是在一个采样周期中，采样上一个周期伺服机构的实际移动的位置值，计算机把它和上个周期计算出来的理论给定值比较，得到一个偏差值，再将这个偏差值和本周期插补的位置增量相加，形成本周期的跟随偏差作为本周期的理论给定值输出到伺服控制接口控制伺服机构运动。开环控制方式中，情况要简单的多，只是采用脉冲增量插补方法输出脉冲，西北丁业人学坝+学位论文第一二章数
44、控糸统的体系结构设计控制步进电机旋转。无论丌环或是闭环控制系统，都要考虑伺服机构的启动、停止或者运动反向时的加减速处理，以获得平稳的运动和较高的位置控制精度。如果抛开数控系统的辅助功能，那么一个零件加工程序在数控系统内部经历译码、数据处理、插补及伺服输出这几个环节，如图2 3 所示。图2 3 数控机床主回路C N C 系统中微机的控制功能主要包括以下几个方面：记忆功能。用于存储规定机床动作的程序以及各种有关机床加工现场的状态信息：信息处理功能。对外部输入的各种有关控制信息进行相应的算术运算和逻辑处理，以便对执行机构发出相应的动作指令；内部控制功能。用于保持控制系统内部功能部件的动作以及各部件之
45、间的协调：输入输出功能。用于保持对外联系和机床的控制状态信息输入和输出：适应环境的功能。在计算机数控系统中，可以人工或自动地改变程序，以适应环境条件和加工状态的变化。在系统设计时，应对各功能的实现和相互间的协调妥善考虑。2 4 开放式数控系统硬件体系结构设计硬件是C N C 系统工作的物质基础。丌放体系结构C N C 系统的硬件结构必两北T 业人学坝：学位论史第二章数拄系统的体系结构设汁须全面支持开放式系统的互操作性、移植性、互换性、可扩展性等开放理念，有利于系统的集成、更新、维护和向新技术迁移。因此，丌放体系结构的C N C系统硬件应该是以总线和网络为基础的模块化拓扑结构。将P C 机引入C
46、 N C系统已成为数控产业界的一个共识，并己成为当前数控系统向开放化发展的一个现实途径。为更好地满足系统的开放化需求，数控系统的硬件应采用模块化的体系结构。硬件结构的开放化设计主要包括两个方面，即模块的划分与总线的选择。2 4 1 系统硬件结构方案选择从C P U 数量上可将C N C 系统分为两类。一类是由单一微处理器构成的单处理器系统，由一个微处理器完成输入输出、插补计算、伺服控制等各项任务。这类系统硬件和软件的结构都较为简单。另一类是由多个微处理器构成的多处理器系统，也称为功能分布的系统。在这类系统中C N C 的功能被划分成多个功能单元，由多个微处理器分别承担。由于采用多个处理部件，系
47、统性能更高，可以满足多坐标、高精度、高速度的机械加工的要求。但是硬件结构较为复杂，成本也相应提高。为了使系统各部件能协同工作，软件设计中要考虑各处理器间的通信、同步，其复杂性也大为增加。1 单处理器系统单处理器的数控计算机系统由中央处理单元(C P U)、内存储器、输入输出接口三个子系统及将这三部分连接起来的信号线(称为总线)组成。当前一些简单经济型数控系统和8 0 年代中期以前的基于P C 的数控系统，多采用单微处理器结构。系统中只有一个微处理器，集中控制整个系统，分时处理数控功能和其他控制功能，但因其功能受到字长、寻址能力和运算速度等指标限制，在数控机床、机器人一类需要大量轨迹插补运算的自
48、动化系统中，特别是插补运算要求实时性很强的系统中，单处理器的运算能力和系统的处理速度，成为突出问题。、对于P C 内藏C N C 型结构而言，系统由一台P C 机和若干块基于P C 总线的接口卡组成，其中接口卡只用于系统与外设的连接，而系统的各项功能，无论是非实时的编程、管理，还是实时的加工控制均出P C 机以软件模块来实现。这实质上是一种纯软件的系统结构，实时性是这类系统实现的关键。目前常用西北工业人学颇卜学位论文第一章数控系统的体系结构设计的方法是对操作系统进行实时扩充，但尽管如此，由于系统的任务太多，必须提高控制软件的运行效率，所以往往只能采用结构化编程，限制了面向对象、基于组件等先进软
49、件开发技木的应用。结构简单、经济性好是这种系统的优势，但系统的控制性能会受到系统资源的制约，实时性不易保证。2 多处理器系统多处理器的数控计算机系统由一个以上通过某种连接线路连接在一起的微处理器组成。在这样的系统中每个处理器承担C N C 的一部分功能，既能独立运行程序，又能通过通信线路或共享的存储器与其它处理器交换信息，协调步骤，共同完成机床的控制。多处理器系统的工作特点：由于多个处理器并行工作，系统的运算和实时处理的能力大大增强，可以适应多坐标轴、高速度、高精度的加工要求，实现单处理器系统难以实现的功能。例如，在具有多个微处理器的C N C 系统中，零件加工程序的输入、数据预处理、插补计算
50、和伺服控制可以由不同的微处理器承担。每个处理器完成自己承担的那部分工作，并将中间结果传送给其它处理器。与由一个微处理器完成所有任务的情况相比，这种做法允许较短的插补周期，因而能允许更高的进给和更高的伺服控制精度。由于每个微处理器所承担的功能单一，对其速度的要求可以有所降低，有可能用多个价格较低的微处理器构成系统。而且经过划分的软件功能较为简单，涉及面小，易于设计和实现。因此，虽然多处理器系统增加了支持处理器间通信、同步、共享资源的硬件。复杂程度增加：软件设计上要考虑各处理器运行的程序之间的协调关系，防止因死锁造成的系统瘫痪，维持共享数据的一致性从而保证软件功能的讵确性等等，但还是得到了越来越广